（化工过程机械专业论文）装配式不锈钢水箱力学响应特性及结构设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 装配式不锈钢水箱是一种新型的“绿色水箱”，具有卫生、安全、加工安装方便等 诸多优点，应用前景广阔。但是，由于我国对装配式不锈钢水箱的设计制造还没有专门 的标准加以规范，导致在装配式不锈钢水箱的设计制造中存在一些问题。因此，对装配 式不锈钢水箱进行力学响应分析，提出合理的设计准则和设计方法具有重要的意义。 本文的主要研究成果为： ( 1 ) 获得了冲压前后不锈钢板的应力一应变曲线。 ( 2 ) 设计制造台装配式不锈钢水箱，并对其进行了承载能力试验，得到了模型水箱 各个测点在压力载荷作用下的应变和位移，以及整体承载能力和失效形式。 ( 3 ) 对装配式不锈钢水箱承载能力进行有限元数值模拟，提出可靠的计算装配式不锈 钢水箱在不同的工作载荷作用下各部位应力、应变的有限元计算方法。 ( 4 ) 提出装配式不锈钢水箱的设计准则，并通过有限元计算的方法对装配式不锈钢水 箱进行结构分析设计。 关键词：装配式不锈钢水箱，力学响应，失效模式，有限元分析，结构分析 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gc o n c e r n i n go ns a n i t a t i o na n ds a f e t yo fd r i n k w a t e r ，t h ea s s e m b l e d t h i n w a l l e ds t a i n l e s ss t e e lw a t e rt a n k ( a t s s w t )i sw i d e l yu s e da sa nw a t e r s t o r a g e e q u i p m e n tb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g ei nt e r m so fs a n i t a t i o n ，h i g hr e s i s t a n c et oc o r r o s i o na n d e a s yi nf a b r i c a t i o n b u ta st h e r ei s n on a t i o n a ls t a n d a r df o ra t s s w t ，i ti sh a r dt os o l v es o m e p r o b l e m si nd e s i g n a n dm a n u f a c t u r e t h e r e f o r ei ti so fg r e a ti m p o r t a n c et o a n a l y z et h e m e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft h ea t s s w ta n dp r e s e n tt h er e a s o n a b l ed e s i g nc r i t e r i aa n dd e s i g n m e t h o d i nt h i sp a p e r ，t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t e n s i l et e s t so np u n c h e ds t a i n l e s sp l a t ea r ec o n d u c t e dt og e ts t r e s s s t r a i nc u r v e ( 2 ) a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ea t s s w ti sc o n d u c t e dt og e tt h em e c h a n i c a l r e s p o n s eo ft h ew a t e rt a n ku n d e ri n t e r n a ll o a da n di t sf a i l u r em o d e s ( 3 ) a n a l y z et h ea t s s w tu n d e ri n t e r n a lp r e s s u r el o a db yf e aa n dp r e s e n tt h em e t h o dt o c a l c u l a t et h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo fa t s s w t ( 4 ) p r e s e n tt h ed e s i g nc r i t e r i aa n dd e s i g nm e t h o do ft h ea t s s w ta n do p t i m u md e s i g ni tb y f e am e t h o d k e y w o r d s ：a s s e m b l e ds t a i n l e s ss t e e lw a t e r t a n k ，m e c h a n i c a lr e s p o n s e ，f a i l u r em o d e s ，f e a ， s t m c t u r a la n a l y s i s 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 随着我国城市化建设的加快和经济的迅速发展，高层建筑日益增多，为了解决高 层住宅的生活用水和消防用水等问题，我国自2 0 世纪7 0 年代起所建的高层住宅楼， 大都设有储水箱( 池) ：在高层建筑的顶部安装屋顶水箱，楼的底层或附近地下设置贮 水箱( 池) ，进行二次供水以保证居民所需。目前在用的储水箱( 池) 主要有混凝土砼 水箱、普通钢板、搪瓷水箱、热镀锌水箱、玻璃钢水箱和不锈钢水箱等。其中，不锈 钢水箱以其安全卫生等的特点成为传统水箱的更新换代产品。 1 1 、水箱概述 1 1 1 、水箱功用 建筑水箱从功用上主要分为消防水箱和生活水箱两种，其中一部分水箱兼具生活 供水和消防供水的双重功用。消防水箱一般由地下储水池和高层水箱组成，主要用于 火灾初期的灭火。消防水箱贮水，一方面，使消防给水管道充满水，节省消防水泵开 启后充满管道的时间，为扑灭火灾赢得了时间；另一个方面，屋顶设置的增压、稳压 系统和水箱能保证消防水枪的充实水柱【2 1 。生活水箱也主要由地下储水池和高层水箱 组成，主要为较高楼层提供生活用水。通过在建筑物的顶部建造高位水箱，采用在地 下储水池和高层水箱之间安装加压水泵或利用夜间用水低谷时管网自身压力向高层水 箱供水，然后通过水箱向用户供水。所以水箱起着水量贮存和调节供水压力的作用， 是供水系统辅助的调节水池。此外，在自来水停止供应时水箱也能临时满足用户用水 的需要。在新建的建筑中，水箱兼具了生活供水和消防供水的双重功用。此类水箱一 方面应满足生活供水和消防供水量的需要，一方面应保证生活用水水质的洁净卫生。 因此，此类水箱容积较大，并且对水箱材质和供水方式要求较为严格。 1 1 2 、水箱发展历程 随着科技的进步，人类对饮用水水质的要求越来越高。因此，对储水设备的安全卫 浙江大学硕士学位论文 生要求也不断提高。 最早使用贮水设备主要是混凝土砼水箱( 池) 。虽然混凝土砼水箱( 池) 具有结构 坚固，使用寿命长，施工工艺简单，成本低等优点，但是由于其自重大，防渗要求高，主 体含铅等对人体有害物质；内衬的防腐涂料，使得贮水设备使用温度受到限制；并且在 长期浸泡下，不可避免地出现涂料层老化、剥落，严重影响水质；后期发展的钢筋混凝 土水箱内衬玻璃钢或不锈钢板技术，在施工上有一定的难度“。 普通钢板水箱是继混凝土硷水箱后出现的一种储水设备，其自重比传统的钢筋混 凝土砼水箱有所减轻，但却存在着橡胶密封垫易老化漏水等问题。由于其内部亦存在防 腐涂料，长时间使用以后，水箱内部的防腐涂料不可避免的会对水质产生影响。北京 市建设委员会规划委员会在2 0 0 1 年4 月1 8 日颁发的京建材 2 0 0 1 1 9 2 号通知中已将高 层楼房二次供水水泥水箱、普通钢板水箱列为淘汰产品”1 。 作为普通钢板水箱的改进，出现了搪瓷水箱与热镀锌水箱。二者均采用拼装式连 接即先将钢板冲压成标准板块，之后对标准板块进行高温焙烧搪瓷或热镀锌，再采 用螺栓连接板块，进行现场组装，板块之间采用橡胶垫进行密封。但是，搪瓷面较脆 弱，在运输、安装、检修过程中易碎裂：镀锌层在长时间使用后，可能出现鼓泡、脱 落；由于这两种水箱标准块板间采用螺栓胶条密封，故仍然存在密封胶条易老化漏水 的问题 2 - 3 3 。 玻璃钢水箱由于重量轻、耐锈蚀、制造工艺简单等优点，曾被人们寄予厚望。同 本等国家在2 0 世纪7 0 年代开始大量使用，我国近年来也在逐步推广。但是，玻璃钢 的强度易受到紫外线的照射而降低；在初始储水过程中，可能溶解出甲醛、乙醚等有 害物质；玻璃纤维长期在水中浸泡，多次清洗时易脱落进入水中，细小的纤维可能随着 自来水进入人体而造成危害；玻璃钢材质脆弱，箱体承受外载荷的能力较差：较大型 的玻璃钢水箱采用组合式，也存在着橡胶密封胶条易老化等问题“3 。 近年来出现的不锈钢水箱从根本上解决储水设备的卫生问题。水箱整体采用优质 食品级不锈钢制成，能保证居民生活用水的干净卫生。但是，不锈钢价格昂贵，严重 制约着这种水箱的推广。薄壁装配式不锈钢水箱的出现正是满足了这种需求。 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 、薄壁装配式不锈钢水箱 113 1 、基本结构 装配式不锈钢水箱是一种新型的卫生环保型贮水装置，如图1 1 所示。水箱主体 由不锈钢外壳和内部骨架拉筋结构组成。采用液压式压机，将不锈钢薄板冲压成标准 模压块：然后通过氩弧焊焊接将模压板组装而成水箱外壳：同时，在水箱内部按一定 方式设置拉筋骨架( 见图1 2 ) ，以增加水箱的强度和刚度。与未冲压的不锈钢薄板相比， 模压板各部分的屈服强度都有较大程度的提高口】；加之内部各拉筋骨架的增强作用， 装配式不锈钢水箱的外壳可以做的很薄，模压板板厚可减小到约1 5 3 m m l 8 。 图11薄壁装配式不锈钢水箱外观图12 薄壁装配式不锈钢水箱内部拉筋骨架 l13 2 、基本特点 与传统水箱相比，装配式不锈钢水箱安全卫生，确保饮水在贮存过程中不受“二 次污染”。通常，自来水在二次水箱中停留的时间约为1 2 2 4 h ，因此，必须考虑这段 时间内水箱对饮水的“二次污染”问题。装配式不锈钢水箱的壳体和内部拉筋均采用 具有优良抗蚀防污性能的食品级不锈钢( 1 c r l 8 n i 9 和o o c r l 7 n i l 4 m 0 2 ，相应的h 本牌 号为s u s 3 0 4 和s u s 3 1 6 l ) ：整个贮水设备不易生锈( 对于水箱的项部气相部位，由于 c l 。可能结露浓缩，使用环境严酷，可使用耐蚀性能更好的s u s 4 4 4 或双相不锈钢) ，不 浙江大学硕士学位论文 会有有害成分溶于水中；箱体采用的全封闭结构，阻断了太阳光照射，不滋生藻类； 水箱底板采用模压板凸面向上的结构，其最低点设有排污阀，可以定期进行彻底排污。 改善了贮水环境，保持水质清洁，较好地防止了居民生活用水的二次污染 9 。 与普通的圆柱形或球形不锈钢水箱相比，大中型的薄壁装配式不锈钢水箱具有良 好的经济性。由于采用合理的冷冲压成型工艺，模压板各部分的屈服强度都有较大提 高；特定的板型、合理布置的骨架结构和科学的总体设计使得水箱各部分材料得以充 分利用；由于采用模压板加拉筋的装配式结构，各模压板在折边处均得到多条拉筋的 增强，薄壁装配式不锈钢水箱所需的板厚仅与水箱高度有关，而不像圆柱式或球形水 箱( 其板厚与直径成正比) ，容积愈大时( 一般相应的平面尺寸也愈大) ，薄壁装配式 不锈钢水箱的经济性愈明显。相同容积时，薄壁装配式不锈钢水箱重量仅为普通钢板 水箱的l 6 1 3 ，大大降低了耗材量，并且能有效减轻建筑物承重“”1 ；由于薄壁装配 式不锈钢水箱重量大幅度降低，其成本与普通碳钢板水箱不相上下，这使得它具有非 常广阔的市场前景。 薄壁装配式不锈钢水箱具有独特的装配性，其制造与组装非常方便。标准模压板 块只需根据水箱高度选用组合；水箱外观造型可据安装场地任意设计成矩形、l 形、z 形、阶梯形等多种形状；可以采用一定规格的预制组合件旋工，方便现场组装作业， 不受安装场所的限制，对于安装不便的场所尤其适用；整个安装过程无需大型安装设 备，安装现场无特殊要求；薄壁装配式不锈钢水箱容积可从0 1 2 5 m 3 5 0 0 0m 3 ( 已有 工程实例) 的范围内进行自由选择，既可作为高层建筑的二次给水箱，又可作为自来 水厂的大型水箱，还可作为家庭用的小型饮水箱。 薄壁装配式不锈钢水箱的各模压板块之间均采用氩弧焊，省去了螺栓结构的中间 橡胶垫片，密封可靠，不易出现渗水漏水现象。在寒冷地区需要防冰、防霜时，由于 其特定的外型设计，使得易于制作与箱体完全吻合的保温板块，保温块经整体扣合而 覆盖于箱体表面，安装极为方便。 由于壳体极薄，且内部具有相当数量的拉筋骨架，薄壁装配式不锈钢水箱质量轻， 强度高，其抵抗地震载荷的性能较佳，这已在日本的阪神大地震中得到证实”1 。 对于地震多发地区，为增加其抗震性能，还可在水箱四角采用圆弧形过渡模压板。 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 3 、各类水箱特性对比 贮水设备的进展，主要是设备材质的更新和设备结构的改进，最终体现为储水更 加卫生、安全、经济。为了进一步说明薄壁装配式不锈钢的性能特点，现将目前几种 典型的贮水设备与之作一比较，如表1 1 所示。 由表1 1 可见，薄壁装配式不锈钢水箱在卫生安全、制造安装、抗震性能和维护 费用等方面都具有很强的竞争力和实用性。对于大中型储水设备，薄壁装配式不锈钢 水箱具有良好的综合经济性能，性价比高，这些特点将使得它受到更加广泛的关注。 表11薄壁装配式不锈钢水箱与其它水箱的特性对 遗箱类型 混凝土水箱碳素钢板水箱玻璃钢水箱薄壁装配式不锈钢水箱 舻堂- 强度低高 由 高 好。对于顶部c l 浓度较高 差。内部涂差。内部涂屡 耐蚀性一般的区域，可使用s u s 4 4 4 等材 层易脱落易脱落 料 一般。密封条 一般。密封条处易 密封眺差。易渗漏 好。严密4 ；漏 处易漏漏 差。主体含铅 卫生性差。易锈蚀差易滋生藻类好。无有害成分溶于水中 等有害元素 小型( 2 0 t 阱内) 时一般。大中型造价低窖 初期投资大容积时低一般 低大中型时高积愈丈愈经济 维修维护费用高 由出 很低，仅维护费用 抗震性能低中 由 同 由表1 j 可见，薄壁装配式不锈钢水箱在卫生安全、制造安装、抗震性能和维护费 用等方面都具有很强的竞争力和实用性。对于大中型储水设备，薄壁装配式不锈钢水箱 具有良好的综合经济性能，性价比高，这些特点将使得它受到更加广泛的关注。 浙江大学硕士学位论文 1 2 、薄壁装配式不锈钢水箱现状 1 2 1 、国内外研究发展现状 由于不锈钢水箱与传统的混凝土水箱、普通钢板水箱与近年来大量使用的玻璃钢水 箱等相比具有诸多优点，特别是能有效避免二次污染，保证生活用水的卫生和清洁，近 l o 年来不锈钢储水设备受到日益广泛的关注。上世纪末，些国家已开始逐步采用不锈 钢水箱替代传统混凝土水箱和普通钢板水箱。不锈钢水箱在发展初期主要采用圆柱形和 球形。n k k 公司在日本最早建造了2 台大型的全不锈钢圆柱形水箱( 见图l 3 ) ，并将之 用于四国岛西岸松山地区的民用自来水工厂。 但是，由于在相同载荷下，球形或圆柱形水箱壳体的厚度与水箱的直径成正比，随 着水箱直径的增加，水箱所需的壳体厚度也迅速增加；球形或圆柱形不锈钢水箱制作安 装的技术难度也较大：加之不锈钢板价格昂贵，这使得大中型不锈钢水箱的初始投资很 高，限制了不锈钢水箱的进一步推广应用。 图13n k k 公司制造的圆柱形不锈钢水箱 为了降低大中型不锈钢储水设备的成本，一些专门从事水箱设计制造的公司从普通 钢制矩形给水箱得到启发，提出了装配式不锈钢水箱的设计方法。从经济成本方面考虑， 必须对拼装式不锈钢水箱整体结构进行科学设计，充分利用材料的强度，大幅度减轻水 箱自重，使其壁厚比普通钢制矩形给水箱薄得多，爿具有竞争力。 通过适当的板型和内部骨架拉筋，在大幅度降低箱体壁厚的同时又保证一定的结构 强度和刚度，这是采用最多的做法。日本的森松公司、美国的b ht a n k 公司和韩国的 s u n g i l 公司等大型企业已开始从事拼装式不锈钢水箱的设计和制造。 近年来，我国也日益重视不锈钢水箱的发展，批厂家已经开始制造不锈钢水箱， 6 浙江大学硕士学位论文 如上海大泉公司、无锡南泉暖通公司、上海的通华高速船公司等。但是，从总体上说， 我国薄壁装配式不锈钢水箱的设计方面还存在一定盲目型，处于仿制阶段。 对于内部不存在加强拉筋的理想矩形薄壁在持续动载荷作用下的力学响应、薄壁结 构的承载能力和失效形式已有人做过大量研究m “。但是，对于薄壁装配式不锈钢水 箱这种在实际中广泛应用的、内部存在加强拉筋的矩形薄壁结构在轴向载荷和内压载荷 联合作用下的强度、刚度、稳定性等的研究，目前研究较少。 对于装配式不锈钢水箱在生产制造遇到的具体问题，国内厂家和科研院所已经做了 较多的研究工作。在不锈钢水箱的防止腐蚀泄漏方面，清华大学机械工程系和北京清华 太阳能设备有限公司合作，对不锈钢水箱的缝隙腐蚀问题中c l 一的影响进行了研究”， 王元华、张琦对不锈钢水箱应力腐蚀和点腐蚀的原因及预防方法进行了研究”；在不锈 钢水箱的焊接方面，中国石化集团管道储运公司陈晓辉对不锈钢水箱的具体焊接工艺进 行了研究“，武汉华中科技大学余竞成，罗丕华等对不锈钢焊缝锈蚀漏水的成因及预防 方法进行了研究“。 对于水箱结构的分析方面，谢君对s m c 组合式水箱单板结构进行了设计分析，提出 了满足设计需要的s m c 组合式水箱单板的设计方法“；王曙光采用有限元分析的方法对 全塑聚乙烯水箱结构进行了分析和校核“；武汉工业大学的汪水平、曾黎明等运用材料 力学的方法结合工程实际对玻璃钢水箱进行了结构分析雎”2 “，并对工程中常用的各种 结构玻璃钢水箱的强度进行了计算校核。在装配式不锈钢水箱的设计方面，仅有王元华 对快速拼凑式矩形不锈钢水箱的简化模型做过结构分析和强度计算1 并运用材料力学 的方法对装配式不锈钢水箱强度进行了校核。但凭借该方法无法获取装配式不锈钢水箱 工作中各部位的力学响应，也无法对进一步的研究进行理论性的指导。 1 2 2 、设计中存在的问题 近年来，我国也日益重视对不锈钢水箱的设计研究，但是到目前为止，我国对不锈 钢水箱的设计制造还没有专门的标准加以规范，生产厂家多系按照经验进行设计制造或 仿造国外同类产品。虽然解决了一些装配式不锈钢水箱制造、安装方面的实际问题，但 是对装配式不锈钢水箱的承载能力、水箱各部位在压力载荷作用下的力学响应、水箱总 7 塑垩查兰竺主兰竺丝苎 体及局部的结构分析与设计、水箱内部拉筋结构的科学合理布置、水箱可能出现的失效 形式以及水箱在台风、地震等不可避免的自然灾害中的安全性等问题未作深入研究。 1 3 、本文主要研究内容 为了对装配式不锈钢水箱系统研究，本文采用试验研究与理论分析相结合的方法， 主要进行以下工作： ( 1 ) 材料拉伸试验 装配式不锈钢水箱是由不锈钢模压板冲压件拼焊而成。在冲压过程中，不锈钢板不 同部位产生的塑性变形相差较大，因而各部位的强化程度也可能不相同。通过材料拉伸 试验，可以得到不锈钢模压板不同位置处材料的应力一应变曲线，为有限元数值分析做 准备。 ( 2 ) 装配式不锈钢水箱整体承载能力试验 通过承载能力试验，可以得到模型水箱各个部位在压力载荷作用下的应力水平，为 有限元数值分析提供试验数据，并获取其整体承载能力和失效形式。 ( 3 ) 装配式不锈钢水箱失效过程的数值模拟 对装配式不锈钢水箱失效过程进行数值模拟，提取其关键部位在不同载荷作用下的 应力和位移；分析试验数据与仿真数据，验证数值计算的有效性，并修正仿真模型，使 得有限元数值分析能进一步精确地反映水箱的真实力学响应；并提出可靠的计算装配式 不锈钢水箱在不同的工作载荷作用下各部位应力、应变的有限元计算方法。 ( 4 ) 基于有限元计算的装配式不锈钢水箱的结构设计 在有限元数值分析的基础上，分析装配式不锈钢水箱可能出现的失效形式，提出设 计准则，并通过有限元计算的方法对装配式不锈钢水箱进行了结构设计。 浙江大学碗士学位论文 第二章试验研究 本次研究中，主要进行了以下两方面的试验：一是材料拉伸试验，以获得不锈钢模 压板材料各部位的应力一应变曲线，为有限元数值分析做准备；二是整体承载能力试验， 以获得模型水箱各个部位在压力载荷作用下真实的应力水平为有限元数值分析的提供 试验数据、并获取其整体承载能力和失效形式。 2 1 、材料拉伸试验 2 1 1 、试验目的 装配式不锈钢水箱是由不锈钢薄板冲压件拼焊而成。在冲压过程中，不锈钢板不同 部位产生的塑性变形相差较大，因而各部位的强化程度也可能不相同。进行不锈钢水箱 仿真和结构分析与设计时，需要详细了解冲压后不锈钢模压板各部位的力学性能，以根 据水箱各部位实际的材料力学性能和受力特点，进行总体设计，尽可能充分地利用材料 并且提高计算精度。为此，本项目对冲压前后的不锈钢板各部位进行了力学性能测试和 对比分析。 衡量材料力学性能的指标“主要有：比例极限( 或弹性极限) 口。、屈服极限盯。，、 强度极限吒、弹性模量e 、延伸率正等。本次设计选用的装配式不锈钢水箱材料为 s u s 3 0 4 ，相对于我国钢材为0 c r l 8 n i 9 。由于本次设计须对装配式不锈钢水箱失效过程 进行数值模拟并提出失效判据，所以材料的拉伸试验主要是获得材料的应力一应变曲 线、材料的屈服强度和强度极限。 2 1 2 、材料拉伸试验方法”o 根据国家标准g b t2 9 7 5 1 9 9 8 钢及钢制品力学性能试验取样位置及试样制备 1 1 1 和g b t2 2 8 2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验方法眦1 ，对于以名义厚度为2 m m 、 塑坚查堂雯主兰堡堡兰一 规格为1 0 0 0 m m 1 0 0 0 r n j n 的模压板进行取样( 取样位置及试样外形如图2 1 、图2 2 所示，共九块样板，样板八、样板九是从未冲压的不锈钢板上取下试样) 。在w d w i 0 0 电子万能材料试验机上对取得样板缓慢进行拉伸，使试样承受轴向拉力p ，并引起试样 沿轴向伸长。上( = l 1 - l o ) 直至试样断裂。将拉力p 除以试样原始截面积f o 为纵坐标 ( 即拉应力仃) ，。工除以试样原始长度l o 为横坐标( 即应变s ) ，则可画出材料应力一 应变曲线。 圈2 11 0 0 0 m m 1 0 0 0 r m 不锈钢冲压件取样位置示意图 ；商? 21 3 、试验结果分析 囤2 2 试样尺寸 不锈钢模压板上取得各试样力学性能如表21 、表2 2 、表2 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 表2 1不锈钢板冲压后球冠区域试样力学性能 屈服强度( 吼：)抗拉强度( o - 。) 断后伸长率( 况) 力学性能 m p am p a 试样一 3 5 56 5 55 8 o 试样二 3 5 06 5 55 9 5 试样三 3 5 56 5 05 75 试样四 3 5 56 4 55 75 试样五 3 7 06 6 05 7 o 表2 2不锈钢板冲压后平面区域试样力学l 生能 屈服强度( 盯。：)抗拉强度( 吼) 断后伸长率( 正) 力学性能 m p am p a 试样六 2 9 06 5 05 9 5 试样七 2 9 06 4 0 6 0 表2 3 未冲压不锈钢板试样力学性能 屈服强度( 仃0 2 )抗拉强度( 吼) 断后伸长率( 坑) 力学性能 m p am p a 试样八 2 5 06 3 56 8 5 试样九 2 5 06 4 06 80 不锈钢板冲压后凸面区域试样( 试样一) 、冲压后平面区域( 试样六) 和未冲压不 锈钢板试样( 试样八) 力学性能试验对比曲线如图2 3 、图2 4 所示。 浙江大学硕士学位论文 墨 r 恻 鞋 佰 y 4 0 。 2 5 0 3 0 0 芒己5 。 专2 0 。 最 曩1 s 。 帮1 。 5 0 00 1 0己03 040 5o 607 试样应变e 图23 不锈铜板冲压前后力学性能对比 不锈钢板冲压后凸面区域 000 0 2 00 0 400 0 6 08 0 800 1 0 试样应变e 图24 屈服点附近局部放丈图 由表2 1 、2 2 、2 3 和图2 3 、2 4 可以看出：s u s 3 0 4 薄板在冲压成模压板块后，其 屈服强度和断后伸长率都发生了较大的变化。与未冲压的不锈钢板相比，模压板各区 域材料的屈服强度都有了不同程度的提高。球冠区域的屈服强度增加较多，其最大值 高达4 2 ：平面区域的屈服强度增加相对较少，约在l l 1 6 ；模压板各区域材料的 断后延伸率都有所减少，约在8 - 8 2 0 6 。总的来说，模压板塑性变形越大的区域， 材料的屈服强度增加越大，相应的其断后伸长率降低越多。 在m s c - m a r c 弹塑性有限元分析中，材料的塑性数据可以是工程应力( f s o ) 与 工程应变( a l l o ) ，也可以是真实应力( f s ) 与真实应变( l n ( l l o ) ) 。在这里，因 为材料拉伸试验中得到的应力一应变曲线是工程应力与工程应变曲线，所以采用拉仲 1 ， 姗 黜 湖 跏 啪 塑坚查兰堡主兰堡堡苎 试验得到的应力一应变曲线作为以后的有限元分析的材料参数。并且考虑到不锈钢模 压板各个部位不同的材料力学性能用不同应力一应变曲线加以模拟。 2 2 、装配式不锈钢水箱整体承载能力试验 22 i 、试验目的 通过本次承载能力试验，可以得到模型水箱各个部位在压力载荷作用下真实的应 力水平；获取其整体承载能力和失效形式；为建立或修正有限元数值计算方法提供基 础试验数据，使得有限元数值计算能精确的模拟水箱失效过程。 2 2 2 、试验方法 根据薄壁装配式不锈钢水箱在工程上的实际应用情况，试验用模型水箱( 见图25 ) 采用2 4 件s u s 3 0 4 不锈钢薄壁模压板焊接而成，容积为8 m 3 ( 2 0 0 0 m r n 2 0 0 0 m m 2 0 0 0 r n m ) ，模压板名义厚度为t = 2o m m ；在其内部设置纵横、竖主拉筋及斜拉筋，斜 拉筋与主拉筋之间呈等腰直角三角形布置。为了尽可能真实地再现工程中实际使用水箱的 受力状况，试验水箱参照实际工程产品设置进出口接管等工艺接管，同时底部支撑亦采 用实际工程结构。考虑到要进行破坏性的整体承载能力试验，各接管法兰均加盲板进行 密封，水箱顶盖与侧板也进行了可靠联接，人孔部位在水箱加工完成后进行了密封焊。 水箱内部拉筋局部结构如图2 6 。 圉25 试验水箱 图2 6 薄壁装配式不锈钢水箱内部拉筋局部结构 根据初步进行的数值计算结果，在水压载荷下，水箱侧板和底板上最大位移出现 在水箱下部侧板及底板的球冠顶点处。故此，在这两个位置各设置l 块千分表，以测量 浙江大学硕p 上学位论文 试验中水箱侧板和底板上的位移。考虑到试验水箱结构上的对称性，按如下方案布置应 变片：在液位计背面的水箱底板上，选择具有代表性的位置设置7 个布片点( 1 样7 # 测 点) ；在竖直方向选择相邻两块侧板上，选择具有代表性的位置各设置5 个布片点( 8 # 1 7 # 测点) 。所有测点均设在试验水箱外壁”“。水箱底板和侧板上应变片和千分表的布置方 位见图2 ，7 。 试验中，应变数据采集仪器为c a l 2 0 2 b a 电阻应变片、p 2 0 r 一5 a 型预调平衡箱和 y j r 5 型静态电阻应变仪。 二二壁銮丛!旦二二坌塞 ( a )( b ) 图27 试验水箱应变片及千分表布置方位( a ) 侧板( b ) 底板 试验装置安装完毕以后在露天进行试验，利用水柱静压力和电动试压泵施加试验所 需的压力载荷。先利用水柱静压力加载：将试验用洁净水从顶部透气接管充入试验水箱， 通过液位计对水位高度进行读数。分4 0 0 r a m 、8 0 0 r a m 、1 2 0 0 r a m 、1 6 0 0 m m 和2 0 0 0 m m 水柱5 级加载，当水位达到设定高度时，停止加载并记录该载荷下各控制测点的应变值 和位移值。完成一次试验后，打开出水阀将水箱排空，并按上述方法重复试验一次。在 第二次试验中，当水箱水位达到2 0 0 0 m m 并记录下各控制测点的应变值和位移值后，通 过电动试压泵( 型号为4 d y - - 7 4 6 3 ) 对试验水箱进一步施加压力载荷，并通过压力表 对试验压力进行读数。加载分级为0 0 3 0 m p a 、o 0 4 0 m p a 、o 0 4 5 m p a 、0 0 5 0 m p a 、 1 4 塑坚茎兰堡! ：堂堡堡兰 o 0 5 5 m p a ，记录各级载荷下控制测点的应变值和位移值。当水箱箱体出现开裂丧失承载 能力时，则终止加载。试验装置如图28 所示。 2 2 3 、试验过程 囤28 试验装置连接图 在逐段进行的加载过程中( 底板所受压力载荷不大于o 0 2 m p a ) ，水箱外观无明 显可见变形；据测量位移数据可以看出：随着压力载荷逐步增加，水箱侧壁和底板开 始逐渐外凸，当水箱内水位高度为2 0 0 0 m m 时，底板和侧板上的最大位移量分别各为 9 6 8 m m 、1 3 ，9 9 m m ；在压力载荷逐步卸除( 水箱排空) 后，各仪器仪表读数基本归零， 可见在小于0 0 2 m p a 的压力载荷作用下，水箱壁处于弹性变形状态。当压力为00 2 m p a 时水箱状态如图2 9 所示。 图2 9压力为o 0 2 m p a 时的试验水箱 浙江大学硕士学位论文 第二次试验中，当压力载荷增加o 0 3 5 m p a 后，各侧板和底板逐渐开始产生较明 显鼓胀，各模压板块逐步趋向球冠状；各侧面模压板之间联接区域外侧逐渐产生张1 5 。 由于水箱内部拉筋的增强作用，张口沿板间连接区域呈现不均匀性。当p = o 0 4 0 m p a 时，水箱侧板变形及板间张口见图2 1 0 。 图2 1o试验水箱侧扳变形及张口 当水箱底板压力达到o 0 4 m p a 时，水箱模压板包角处焊缝开始产生渗漏。包角渗漏 的量很小，在随后直至水箱最终丧失承载能力的试验过程中，模压板包角处的泄漏量未 见扩展，包角的渗漏也未影响到试验压力的稳定上升。 当底板所受压力载荷逐级增加到0 0 4 5 m p a 时，在底板球冠边缘与平面交界附近区 域开始出现塑性变形；随后，变形逐渐向球冠中心扩展。当底板上水压达到o 0 5 m p a 时，其中3 块底板的球冠部分发生失稳而翻转向下，由上凸球面变形为下凹球面。当底 板上水压达到o 0 5 5 m p a 时，第4 块底板的球冠部分亦发生失稳。水箱底板球冠失稳后 状态如图2l l 所示。 当水箱底板压力达到o 0 7 6 m p a 时，水箱下部侧拉筋与侧板之间的焊结接头拉脱( 如 图2 1 2 所示) ，侧板急剧向外膨胀，导致侧板与底板十字焊接接头处出现大裂口，水箱 丌始产生大量泄漏而丧失承载能力。侧板与底板十字焊接接头处裂缝见图2 1 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 盈21 - 试验水箱底板麦稳 2 2 4 、试验数据处理 22 4 1 、位移 圈2121 胡量水箱删拉筋焊接接头拉脱 图213 试验水箱侧板与底扳十字焊接接型、的裂缝 试验水箱侧面及底部模压板球冠顶点位移量与压力载荷的关系曲线如图2 1 4 所示。 2 5 0 2 2 5 2 0 0 器； 营佗s 1 0 0 7 t 5 5 0 2 5 0 0 0 00 51o 152 02 53 03 540 4 5 踬力戳荷，m h 2 0 圈2 1 4 试验水箱实测位移 7 浙江大学硕士学位论文 从图2 1 4 中可以看出，在压力载荷不大于o 0 2 m p a 时，水箱壳体的变形响应是线 性的。当压力载荷大于o 0 2 m p a 时，各测点位移与载荷的关系均开始呈现出明显的非线 性特性：下部侧板的位移随载荷的增加变化较为平缓；底板位移随载荷增加先是减缓上 升，在载荷大于0 0 3 0 m p a 后迅速上升。 2 2 4 2 、应力 对于应变花测出的各向应变，据下述各式”9 = 半+ 孚c o s z 旷等s i n z 呸 毛= 1 2 堕+ 垡2l c 。s 2 a ：一生s i n2 口。2 6。2 。 。2 = 1 2 堕+ ! 三c 。s 2 a ，堡s i n 2 q 22 c) 。 一 3 可求得、。f 扫t 9 2 0 t o = - ：可求得主应变方向或甜产+ 三。 由于 故可求得主应变 s ，= 业2i + 尘2 旦c 。s 2 口。一生s i n 2 a 。2 uu = 生9 堕+ 竺9 二c 。s 2 口j 一冬s i n 2 口； vu 气：= 彳8 + c 孚厄习而 和等效应变( 应变强度) ；= 信附曲2 小：训2 如训2 一仃而 在各测点处于弹性状态时，可利用广义h o o k e 定律，由主应变求出主应力 卟占垤) 口1 。而8 一+ 岛 盯：= _ 兰j ( + 掣) 盯2 。而+ 掣5 l 浙江大学硕士学位论文 进一步可得到各测点弹性状态下的等效应力为 厅= ( 盯，一盯：) 2 + ( 仃。一盯，) 2 + ( 盯。一q ) 2 = 砰+ 盯：一呸仃： 、， 注：式中各符号含义如下 乞口= 0 。的应变片实测应变：矗口= 4 5 。方向的应变片实测应变 t a = 9 0 。的应变片实测应变；主应变ti = 1 ，2 ，3 ； t 平面内水平方向应变；。平面内竖直方向应变； y 。平面内剪应变； 占等效应变： a o 主应变方向；盯主应力，m p a ，i = 1 ，2 ，3 ： 厅等效应力，m p a ：泊松比i e 杨氏弹性模量，m p a ； 平面应力状态下毛= 0 、吒= 0 在各测点初次进入塑性状态前，由于没有卸载发生，且其加载历程和本章第一节中 进行模压板力学性能试验时相同。因此，材料屈服后，其应力一应变曲线与试验所得曲 线一致。通过查阅材料拉伸试验中测得应力一应变关系曲线，即可得到材料进入塑性段 以后不同的等效应变所对应的等效应力强度。 在试验水箱加载过程中，代表性控制测点等效应力载荷关系曲线见图2 1 5 。 柏0 3 5 0 3 0 0 l2 5 0 云“ 望m 嚣，0 0 壮5 0 0 o 005 10 152o 2 5 30354o455o5560 压力啦荷，h 】0 ( a ) 0o05 ，0 5202530354 04 5 5 0 556 o 厩玻荷，m h o ( b ) 图215 试验水箱实测等效应力( a ) 底板( b ) 侧扳 锥群墓!一e 邕 1 一 一 之 。声 - t 。、 = ， = ，一 ，0，；，垅 珊啪季|喜三渤瑚啪m印。 日j、基艰r型煨舻 浙江大学硕士学位论文 2 2 5 、试验结果分析与讨论 2 25 1 、试验结果分析 试验中所观察到的失效模式主要有以下3 种： ( 1 ) 底板失稳：为了有效减轻自重以节省材料，装配式不锈钢水箱壳体的模压板都设 计得较薄。其底部模压板球冠凸面承受压力载荷，在水压载荷作用下，球冠中处于压缩 应力状态，因而存在潜在弹性失稳的可能。随着压力载荷的增加，底板球冠有可能在很 低的应力状态下就出现失稳，致使球冠凸面翻转向下。 对于外压球壳的失稳临界压力，工程上广泛应用的是v o nk a r m a n 和钱学森采用非 线性大挠度理论导出的公式，它与众多试验结果较为一致”“。 p c , = o 3 6 6 e ( r j 据此，可求出底部模压板p 。，= 0 2 3 0 m p a 。 在本次试验中，当压力载荷上升到o 0 5 0 0 5 5 m p a 时，试验水箱4 块底部模压板球 冠部分相继发生失稳。这就是说，底部模压板的试验失稳载荷与理论值相差很大。 造成这种差异的原因，一方面可能是球冠的几何形状和材料等存在初始缺陷，这在 一定程度上降低了模压板的临界失稳载荷；另一方面，可能是由于球冠自身力学边界条 件的影响。 在压力载荷作用下，底部模压板球冠区域将与其矩形的平面区域一起产生竖直方向 的位移，球冠区域好比置于非轴对称的弹性支撑上；另外，球冠区域边缘存在结构不连 续，在这部分区域存在较大的局部应力，使其较早进入了塑性状态，从而改变了球冠的 构形。这些因素可能造成底部模压板球冠中部分区域压缩应力增加，使其在较低载荷下 就进入了失稳状态。 因此，对于薄壁装配式不锈钢水箱底部模压板球冠区域的失稳载荷，经典的理沦公 式并不适用。一种较好的解决方法是将数值仿真和试验研究相结合，确定不同厚度和不 同板型的不锈钢模压板的失稳载荷。 ( 2 ) 拉筋拉脱：薄壁装配式不锈钢水箱的加强拉筋采用氩弧焊焊接接头与模压板各折 边进行连接。水箱壳体在压力载荷下向外鼓胀变形，并引起各主拉筋和斜拉筋的变形。 由于壳体与各斜拉筋变形不协调，使得各斜拉筋既受到拉伸载荷，又受到弯曲载荷作用。 浙江大学硕士学位论文 这使得斜拉筋的焊接接头成为水箱的一个薄弱之处，当压力载荷增加到一定程度时，就 会出现拉筋拉脱。 ( 3 ) 包角渗漏：模压板块的包角是在板块冷冲压完毕后利用氩弧焊形成的封1 3 。由于 包角形状及焊接位置特殊，此处焊接难度大，容易形成渗漏。包角渗漏失效往往发生在 水箱组焊完毕进行试压时，并且一旦出现后很难消除。因此，必须尽可能地避免这种缺 陷。 要防止包角渗漏的出现，必须从模压板着手。对于模压板块，必须逐块对各包角进 行严格检测，发现缺陷时及时消除。 除了试验中呈现的3 种失效模式之外，薄壁装配式不锈钢水箱还可能存在2 种失效 模式： ( 1 ) 主拉筋断裂：薄壁装配式不锈钢水箱是典型的薄壁箱型结构，其壳体承受内压载 荷的能力很弱。在内压载荷作用下，无加强筋的薄壁箱型壳体将产生很大的变形。因此， 水箱各主拉筋要承担来自壳体的水平方向的压力载荷，防止壳体过大的横向变形。另外， 如前所述，各斜拉筋与主拉筋连接处变形不协调，这会对主拉筋端部附近区域施加横向 弯曲载荷。因此，主拉筋的中间部分主要以拉伸载荷为主；在两端附近区域和各斜拉筋 连接处，则既存在拉伸载荷，又存在弯曲载荷。 如果焊接接头的质量能够得到保证，在各种载荷的综合作用下，当内压载荷增加到 一定程度时，主拉筋可能产生过大的塑性变形而断裂。 ( 2 ) 模压板撕裂：在保证焊接接头质量和足够的主拉筋强度的情况下，水箱最终可能 出现的失效模式是底部附近模压板( 底板或下部侧板) 过度变形而被撕裂，这将导致水 箱丧失承载能力。 2 2 5 2 、试验结果讨论 通过本次承载能力试验，可以得出如下结论： ( 1 ) 在2 m 水位的情况下，试验水箱整体结构处于弹性状态，其侧壁和底板最大位移 量分别各为9 6 8 r a m 、1 3 9 9 r a m ： ( 2 ) 得到了模型水箱各个测点在压力载荷作用下真实的应力状况和位移值。在不大于 o 0 3 0 m p a 的压力载荷作用下，底板各控制点应力随着压力载荷线性增加，水箱壳体完 全处于弹性状态；之后，底板局部区域开始进入塑性状态，其控制点应力载荷曲线开 始呈现出明显的非线性特性。对于水箱下部侧板，其部分区域的应力一载荷曲线在加载 2 l 掰r 珏犬芋坝士竿位论又 过程中呈现出完全的非线性；部分区域的应力一载荷曲线特性类似底板，仍呈现出线性 和非线性相结合的两段规律。 ( 3 ) 在试验过程中，试验水箱共主要呈现出3 种失效模式：底板失稳、包角渗漏和拉 筋焊接接头拉脱。 当试验压力达到0 0 4 m p a 时，水箱模压板包角处焊缝开始出现渗漏；试验水箱底板 失稳载荷在0 0 5 0 0 5 5 m p a 之间；当试验压力达到0 0 7 6 m p a 时，水箱底板与侧板之间 的侧拉筋焊接接头拉脱，引起底板与侧板之间的十字焊缝开裂和水箱泄漏。 试验水箱的最终破坏形式为十字焊缝撕裂引起的缓慢泄漏而非爆破，无片状或块状 金属飞出。 ( 4 ) 由于具体力学边界条件的不同，薄壁装配式不锈钢水箱底板的实际失稳载荷与 v o nk a r m o n 公式的理论计算值有较大差异。 浙江大学硕士学位论文 第三章装配式不锈钢水箱失效过程的数值模拟 本文采用m s c 公司有限元分析软件，对装配式不锈钢水箱失效过程进行数值模拟。 以装配式不锈钢水箱承载能力试验为基础，建立正确的有限元模型，提出可靠的计算方 法，从而为失效判据的确定和装配式不锈钢水箱的结构设计提供可行方法，解决以前采 用的数学解析方法难以解决的问题拍 。 3 1 、m s c - - m a r c 有限元方法简介3 6 “4 m s c - - m a r c 是一种功能强大的高级非线性有限元软件求解器，它是目强较为优秀 的非线性问题求解器之一。它有较强的结构分析能力，可以处理各种线性和非线性分析。 分析采用高稳定性、高精度、快速收敛的非线性问题求解技术，并提供了各种功能强大 的加载步长自适应控制技术，能自动确定分析加载步长。在本次有限元计算过程中，主 要运用m s c m a r c 的弹塑性分析模块。 塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性。对大多数金属材料 来说，当其应力低于屈服强度时，应力一应变关系是线形的。因此，在应力一应变曲线 中，低于屈服点的部分为弹性部分，超出屈服点的部分为塑性部分，也叫应变强化部分。 在装配式不锈钢水箱承载能力试验中，水箱上大部分区域己经发生了塑性变形，因此在 弹塑性分析中必须考虑塑性区域材料的特性。 由于塑性变形是不可恢复的，该类问题与加载历史密切相关。对一种给定的边界条 件，可能存在多个的解的存在，为了得到与实际相符合的正确的结果，必须按照与实际 问题相同的加载过程进行加载。